JPH08319802A - 金属とセラミックの接合方法、接合構造およびこの接合構造を備えたガスタービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】真空密封する工程を要することなく熱間浄水加
圧（ＨＩＰ）処理を行って金属とセラミックの両部材を
接合できる方法、その接合方法による回転軸とタービン
の接合構造およびこの接合構造を備えたガスタービンを
提供する。 【構成】金属製の第１の部材１０とセラミック製の第２
の部材１１とこれら部材１０，１１の間に介挿した緩衝
材１４とを、それらの接触面に介在させたろう材１８を
真空中で溶融することによりろう付けして密着する。つ
ぎに、ろう材１８が再溶融しない雰囲気で熱間静水加圧
処理を行って緩衝材１４と第１および第２の部材１０，
１１との界面に拡散接合層を形成させる。また、第１の
部材１０の有底嵌合孔１７と、この嵌合孔１７に挿入し
た第２の部材１１の嵌合突部１３との間にすき間を形成
し、上記ろう付けおよびＨＩＰを含む一連の工程によ
り、すき間により焼ばめ部を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属製の部材とセラミ
ック製の部材とを高い結合強度で接合できる金属とセラ
ミックの接合方法、この接合方法を用いて得られる金属
製の回転軸とセラミック製のタービンロータとの接合構
造およびこの回転軸とタービンロータの接合構造を備え
たガスタービンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、セラミックの成形、焼成技術の急
速な進展によって、各種耐熱構造部品や高い精度を要求
される内燃機関ピストンなどの作動部品といった種々の
部品がセラミックで製作できるようになり、ガスタービ
ンにおいても、セラミック製部品の採用によって熱効率
のより一層の向上を図る試みがなされている。たとえ
ば、ガスタービンのノズル、タービンブレードおよびタ
ービンディスクなどをセラミックで製作して、燃焼室か
らの高温の燃焼ガスを、冷却せずにそのままセラミック
製スクロール内を通してノズルからタービンブレードに
導くようにしたガスタービンが提案されている。このガ
スタービンは、タービン入口温度の向上や前述の燃焼ガ
スの無冷却化などの種々の利点によって、タービン熱効
率を大幅に高めることが可能になった。

【０００３】しかし、セラミックを用いて製作可能な部
品には大きさや形状などに制約があるため、ガスタービ
ンでは、高温の燃焼ガスと直接接触する箇所にのみセラ
ミック製部品が使用されている。たとえば、比較的外径
の小さいガスジェネレータタービンのタービンロータは
セラミックで一体的に製造できるようになったが、この
タービンロータを取り付けるためのロータ軸は、その形
状からセラミックで製作するのに無理があるため、現在
では金属材料で製作されている。そこで、セラミック製
のタービンロータと金属製のロータ軸の先端部を一体に
結合する必要があるが、この両部材を単にろう付けした
だけでは所要の結合強度が得られない。一方、両部品を
焼ばめで結合した場合には、その結合部が使用中に高温
の燃焼ガスとの接触あるいは燃焼ガス雰囲気中で加熱さ
れたときに、セラミックと金属との熱膨張差によって結
合状態に緩みが生じ、或る温度以上になると結合強度が
急激に低下してしまう。

【０００４】上記のような問題の解消を図ったものとし
て、金属製ロータ軸における先端の結合軸部のみを、高
強度、低膨張率および低ヤング率の特殊合金により別途
形成し、結合軸部とセラミック製のタービンロータとを
焼ばめなどの手段で結合したタービンが提案されている
（実開昭６４−３６６０１号公報参照）。このタービン
は、ロータ軸の結合軸部が低膨張率であって加熱されて
も膨張しにくいことから、高温にさらされたときの結合
強度の低下を防止できるものである。しかし、ロータ軸
の一部である結合軸部を高価な特殊合金で別途形成する
ことからコスト高となり、また、タービンロータと結合
軸部との接合の他に結合軸部とロータ軸の軸基部との接
合を必要とし、さらに、結合軸部は高い寸法精度を必要
とするなどの問題を残しており、実用化には不向きであ
る。

【０００５】そこで、現在では、金属製ロータ軸とセラ
ミック製タービンロータの接合には以下のような方法が
一般に採用されている。すなわち、図６に示すように、
セラミックで一体成形したタービンロータ１のロータ軸
部２と金属製ロータ軸３とを、各々の接触面の間にろう
材４を挟み込んだ状態で金属製チューブ６内に挿入し
て、吸引口７からチューブ６内を真空引きする。この状
態を保持して、吸引口７を潰すか、あるいは電子ビーム
溶接により吸入口７に蓋板を溶着するかして、吸引口７
を密閉する。つぎに、金属チューブ６内に真空密封した
タービンロータ１とロータ軸３を高温、高圧ガス（例え
ば１０００℃、２００〜１０００気圧）の作用する熱間
静水炉内に入れて熱間静水加圧〔以下、ＨＩＰ（hot is
ostaticpressing）という〕処理を行う。それにより、
ろう材４が溶融するとともに高圧ガス圧が作用して、収
縮変形する金属チューブ６の圧縮力を受けて、ロータ軸
部２とロータ軸３とがろう付けされ、かつ、ろう材４と
ロータ軸部２およびロータ軸３との各界面に拡散接合層
が形成され、相互に高い結合強度で接合できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記接
合方法では、タービンロータ１とロータ軸３とをろう材
４を挟み込んだ状態で金属チューブ６内に真空密封する
のが困難であり、非常に面倒な作業を行わなければなら
ない。しかも、上述の真空密封するのが困難であること
から、タービンロータ１とロータ軸３とを常に同一の圧
着力および位置関係で密接させることができず、結合強
度にばらつきが生じる。また、タービンロータ１の外周
部に一体形成されている多数のタービンブレード５は、
金属に比較して脆いセラミックで成形されていることか
ら、ＨＩＰの高圧ガス圧により収縮変形する金属チュー
ブ６の不均一な圧縮力を受けて、尖った部分などが欠損
され易い。

【０００７】なお、上述の種々の問題はいずれも真空密
封する工程に起因しているが、もしも、上記接合方法に
おいて真空密封する工程を省略してＨＩＰ処理すると、
以下のような問題が生じる。すなわち、タービンロータ
１のロータ軸部２とロータ軸３とを、それらの間にろう
材４を介在して接触させただけの状態、つまり完全に密
接されていない状態でＨＩＰ処理した場合には、ＨＩＰ
処理炉内の高圧ガスが、ロータ軸部２およびロータ軸３
とろう材４との各間に存在する僅かなすき間に浸入して
しまい、ろう材１８は溶融しても、タービンロータ１と
ロータ軸３の接触面を相互に押し付けあう圧力は殆ど加
わらず、ろう材を介した拡散接合を行えない結果とな
る。

【０００８】そこで本発明は、真空密封する工程を要す
ることなくＨＩＰ処理を行って金属とセラミックを接合
できる方法、その接合方法によって得られる回転軸とタ
ービンロータの接合構造およびこの接合構造を備えたガ
スタービンを提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決しようとするための手段】上記目的を達成
するために、本発明の請求項１に係る金属とセラミック
の接合方法は、金属製の第１の部材と、セラミック製の
第２の部材と、これら部材の間に介挿されて前記金属と
セラミックの中間の熱膨張係数を持つ緩衝材とを、それ
らの接触面に介在させたろう材を真空中で溶融すること
によりろう付けし、つづいて、前記ろう材が再溶融しな
い雰囲気で熱間静水加圧処理を行って前記緩衝材と前記
第１および第２の部材との界面に拡散接合層を形成する
ようにした。

【００１０】また、本発明の請求項２に係る金属とセラ
ミックの接合方法は、金属製の第１の部材に有底嵌合孔
を形成し、この嵌合孔に、セラミック製の第２の部材の
嵌合突部を挿入し、前記嵌合孔の底面と前記嵌合突部の
先端面との間に、前記金属とセラミックの中間の熱膨張
係数を持つ緩衝材を介挿し、これら第１および第２の部
材と前記緩衝材とをそれらの接触面に介在させたろう材
を真空中で溶融することによりろう付けし、つづいて、
前記ろう材が再溶融しない雰囲気で熱間静水加圧処理を
行って前記緩衝材と前記第１および第２の部材との界面
に拡散接合層を形成させるようにした。

【００１１】請求項３に係る金属とセラミックの接合方
法は、請求項２における前記嵌合孔に前記嵌合突部を挿
入するにあたり、前記嵌合孔の内周面の少なくとも一部
と前記嵌合突部の対応する部分との間にすき間を形成し
ておき、前記拡散接合層形成後の冷却に伴う前記第１の
部材の収縮によって、前記嵌合孔の前記少なくとも一部
と前記嵌合突部との間に焼ばめを形成するようにした。

【００１２】請求項４に係る回転軸とタービンロータの
接合構造は、請求項２の接合方法によって、第１の部材
である金属製の回転軸の端部に、第２の部材であるセラ
ミック製のタービンロータを接合した構造であって、前
記回転軸の端部に形成された有底嵌合孔に、前記タービ
ンロータのロータ軸部が挿入されて接合されている。

【００１３】さらに、本発明の請求項５に係る回転軸と
タービンロータの接合構造は、請求項３の接合方法によ
って、第１の部材である金属製の回転軸の端部に、第２
の部材であるセラミック製のタービンロータを接合した
構造であって、前記回転軸の端部に形成された有底嵌合
孔に、前記タービンロータのロータ軸部が挿入されてろ
う付けされ、前記嵌合孔と前記ロータ軸部との間に焼き
ばめが形成されている。

【００１４】請求項６に係るガスタービンは、回転軸に
装着された圧縮機とタービンを有し、圧縮機から供給さ
れた圧縮空気を燃焼室で燃焼させて、タービンに供給す
るガスタービンであって、請求項４または５の回転軸と
タービンロータの接合構造を備え、前記回転軸を支持す
る軸受に潤滑油を供給する潤滑油通路を備え、前記回転
軸と前記タービンロータとの接合部が、前記潤滑油通路
の近傍に配置されている。

【００１５】

【作用および効果】請求項１の金属とセラミックの接合
方法では、ＨＩＰ処理に先立って、金属製の第１の部材
とセラミック製の第２の部材とこれら部材の間に介在さ
せた緩衝材とを、それらの接触面の間にろう材を介在さ
せて互いに接触させ、この状態において真空中でろう材
を溶融させることにより、緩衝材と第１の部材および第
２の部材とをそれぞれろう付けする。ここで、ろう付け
を真空中で行っていることにより、緩衝材と第１の部材
および第２の部材との各間は、溶融したろう材がボイド
をつぶしながら埋めつくすので、空気の存在しない完全
な密着状態となる。

【００１６】つぎに、緩衝材を介してろう付けで結合し
た第１および第２の部材をＨＩＰ処理炉内に入れ、この
炉内を、ろう付けが既に終了していることから、ろう材
が再溶融しない雰囲気に調整して、ＨＩＰ処理を行う。
ここで、第１および第２の部材は緩衝材を介してろう付
けで密着されているため、第１および第２の部材と緩衝
材とは、高圧ガスの圧力を各々の接触面が互いに圧接す
る方向に受けて、徐々に加圧されていく。その結果、緩
衝材と第１および第２の部材との界面はろう材を介在し
て拡散接合されるので、緩衝材と第１および第２の部材
とが互いに高い結合強度で接合される。

【００１７】この金属とセラミックの接合方法によれ
ば、従来の接合方法における金属とセラミックとの両部
材を金属チューブ内に真空密封することによって密接さ
せる工程が不要となり、この工程に伴う問題を一挙に解
消できる。すなわち、真空密封の面倒な作業を解消で
き、この困難な作業に伴い生じていた結合強度のばらつ
きがなくなり、さらに、金属チューブ６を介さずにＨＩ
Ｐの高いガス圧を負荷させることができるため、脆いセ
ラミックで形成された第２の部材にはこれの一部を欠損
させるような不均一な圧力が加わらない。また、第１お
よび第２の部材間にこれらの中間の熱膨張係数を持つ緩
衝材を介挿しているので、第１および第２の部材間にこ
れらの熱膨張差により作用しようとする引っ張り応力を
緩衝材で吸収することができ、脆いセラミック製の第２
の部材にダメージを与えたり、ろう材が破壊されたりす
るのを防止できる。

【００１８】請求項２の金属とセラミックの接合方法で
は、第１の部材の有底嵌合孔内に、緩衝材をその両面側
にろう材を付着させて挿入したのちに、第２の部材の嵌
合突部を挿入して、嵌合孔の底面と嵌合突部の先端面と
の間に緩衝材を挟み込んで保持する。この状態で真空中
においてろう材を溶融させることによって、第１および
第２の部材と緩衝材とをそれぞれろう付けし、つぎに、
請求項１の接合方法と同様の条件でＨＩＰ処理して、第
１および第２の部材と緩衝材との界面に拡散接合層を形
成することにより、これらを相互に高い結合強度で接合
する。したがって、この接合方法によれば、請求項１と
同様の効果が得られる他に、第１および第２の部材のろ
う付けに際して、第２の部材の嵌合突部と緩衝材とろう
材とを第１の部材の嵌合孔内に安定して保持できる利点
がある。

【００１９】請求項３の金属とセラミックの接合方法で
は、真空中でろう材を溶融させてろう付けを行うとき
に、溶融したろう材が、嵌合孔の内周面の少なくとも一
部と嵌合突部の対応する部分との間のすき間に浸入し
て、すき間を埋める。つづいて、ＨＩＰ処理を行って拡
散接合層を形成したのちに、時間の経過に伴ってＨＩＰ
処理炉内が常温に戻るときに、高熱膨張係数の第１の部
材は、冷えて徐々に収縮する。この第１の部材の嵌合孔
はその内径が縮小するよう収縮していき、嵌合孔の内周
面が嵌合突部の対応する部分にろう材を介して圧着し、
この部分に焼ばめが形成される。

【００２０】この接合方法によれば、第１および第２の
部材はろう付けと焼ばめの異なる接合手段で接合され
る。ろう付けは、結合強度の絶対値がさほど大きくない
が、結合強度が温度上昇に伴って直線的に徐々に低下す
る特性を有しており、一方、金属とセラミックとの焼ば
めは、或る温度以上の高温下における両者の熱膨張差に
よって結合強度が急激に低下するが、低温下での結合強
度の絶対値が大きい特性を有する。したがって、この接
合方法によって接合された金属とセラミックは、温度変
化に対して２種類の結合手段の特長が互いに補間しあう
とともに、拡散接合層によって強固に接合されているの
で、安定して結合状態を保持できる。

【００２１】また、焼ばめの形成時、第１の部材の収縮
による圧力は、すき間に介在したろう材の緩衝作用によ
り吸収されて、第２の部材に直接加わらない。そのた
め、脆いセラミック製の第２の部材は割れや破損が生じ
ないよう保護される。さらに、第１および第２の部材間
に形成する環状のすき間を、たとえば、嵌合孔の開口部
付近の内周面と嵌合突部の基端部分との間の箇所に設定
しておけば、焼ばめ部は、嵌合孔の底面と嵌合突部の先
端面の間に形成されるろう付け部に対し離間した箇所に
形成されることになる。このように、第１および第２の
部材の結合部は、離間した２箇所でろう付け部と焼ばめ
部とで接合されることによって、特に曲げ荷重を受けた
ときに高い強度を示す。

【００２２】請求項４の回転軸とタービンロータの接合
構造では、回転軸の端部に形成した嵌合孔の底面と、タ
ービンロータのロータ軸部（嵌合突部）の先端面とが、
緩衝材を介在したろう付けで接合され、かつ、ろう材と
第１および第２の部材との間に拡散接合層が形成されて
いる。

【００２３】この回転軸とタービンロータの接合構造に
よれば、これらを金属チューブ内で真空密封する工程を
省いて接合できるので、脆いセラミックで一体成形され
て周囲に多数のタービンブレードが配設されたタービン
ロータに、タービンブレードの壊れやすい尖った箇所な
どが欠損するといった不都合が生じない。また、タービ
ンの運転中に高温の燃焼ガスとの接触あるいは燃焼ガス
雰囲気中で加熱されても、回転軸とタービンロータと
は、ろう付けの他に拡散接合層により強固に結合されて
いるから、安定して結合状態を保持できる。さらに、回
転軸とタービンロータ間にこれらの熱膨張差により作用
しようとする引っ張り応力は、金属とセラミックの中間
の熱膨張係数を持つ緩衝材で吸収することができ、ター
ビンロータにダメージを与えたり、ろう材が破壊された
りするのを確実に防止できる。

【００２４】また、請求項５の回転軸とタービンロータ
の接合構造によれば、ろう材を介在した拡散接合によっ
て回転軸とタービンが強固に結合されるのに加えて、ろ
う付けと焼ばめとの２種類の接合手段で接合されている
ので、タービンの運転中に加熱されても、ろう付け部と
焼ばめ部の各々の長所が互いに補間し合って、安定して
結合状態を保持する。また、焼ばめ部をろう付け部に対
し可及的に離間した箇所に形成すれば、回転軸とタービ
ンロータの接合部は特に曲げ荷重を受けたときに高い強
度を示すので、タービンロータは回転軸に安定に支持さ
れる。

【００２５】請求項６のガスタービンによれば、請求項
４または請求項５の回転軸とタービンロータの接合構造
を備えているので、上述と同様の効果を得られる他に、
回転軸とタービンロータとの接合部が、回転軸を支持す
る軸受に対し潤滑油を供給する潤滑油通路の近傍に配置
されているため、ろう付け部またはこれと焼ばめ部は、
高温の燃焼ガスとの接触などにより温度が上昇しようと
するのを潤滑油による冷却効果によって抑制される。し
たがって、ろう付け部の温度上昇に伴う結合強度の低下
を阻止でき、あるいは、金属とセラミックとの熱膨張差
によって焼ばめの結合状態に緩みが生じるのを防止でき
る。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について図面を
参照しながら説明する。図１〜図３は本発明の一実施例
に係る金属とセラミックの接合方法を工程順に示した縦
断面図であり、図１（ａ）〜（ｃ）はろう付け工程、図
２はＨＩＰ処理工程、図３は接合完了状態をそれぞれ示
す。図１（ａ）において、金属製部材として、たとえば
Ｎｉ基耐熱超合金により軸状に形成した第１の部材１０
を用いる。一方、セラミック製部材として、たとえばＳ
ｉＮ₄ 系セラミックにより基体１２の一面から軸状の嵌
合突部１３が突出する形状に一体成形した第２の部材１
１を用いる。この両部材１０，１１の間に介在させる緩
衝材１４は、金属とセラミックの中間の低い熱膨張係数
を持つ、たとえばタングステン合金により円板状に形成
されている。

【００２７】上記第１の部材１０には、第２の部材１１
との接合側の端部に、軸心に沿った有底嵌合孔１７が形
成されており、この嵌合孔１７は底面側の小径孔部１７
ａと開口側の大径孔部１７ｂとからなり、小径孔部１７
ａにおける底面近傍の周面に環状の逃げ溝１７ｃが形成
されている。上記緩衝材１４は小径孔部１７ａに嵌合す
る径を有する円板形になっている。一方、第２の部材１
１の嵌合突部１３は、嵌合孔１７の小径孔部１７ａに嵌
合する径を有する小径軸部１３ａと、大径孔部１７ｂに
挿入時にこれの内周面との間に環状のすき間を形成でき
る径を有する軸基部１３ｂとが形成されており、小径軸
部１３ａの先端面は、後述するろう材１８との間で拡散
接合を容易に行わせるために、メタライズ処理されてい
る。また、緩衝材１２の両面側には、嵌合孔１７への挿
入に先立ってろう材１８が付着される。このろう材１８
には、ろう付けの影響によるセラミックの残留応力をで
きるだけ小さくするために、比較的ろう付け温度の低い
金属、たとえばＡｇの合金が用いられている。

【００２８】嵌合孔１７内に緩衝材１４および第２の部
材１１の嵌合突部１３を挿入して、嵌合孔１７の底面と
嵌合突部１３の先端面との間に緩衝材１４を挟み込む。
したがって、緩衝材１４およびろう材１８を両部材１
０，１１の間に介在させて保持するのが容易となり、か
つ所要の位置に安定に保持できる。また、上述の嵌合孔
１７に嵌合突部１３を挿入したときに、嵌合孔１７の大
径孔部１７ｂの内周面と嵌合突部１３の軸基部１３ｂの
外周面との間に、（ｂ）に示すような断面リング状の小
幅のすき間１９が形成される。

【００２９】つぎに、上記のように組み合わせた両部材
１０，１１を真空炉２０に入れて内部を真空引きしたの
ちに、真空炉２０内をヒーティングコイル（図示せず）
などにより加熱しながら両部材１０，１１にこれらが互
いに近接する方向に加圧手段（図示せず）で圧力を加え
る。両部材１０，１１における嵌合孔１７の底面と嵌合
突部１３の先端面との間の接合箇所の空気は、上記の真
空引きによって嵌合孔１７の小径孔部１７ａと嵌合突部
１３の小径軸部１３ａとの間の僅かな空隙を通って上記
すき間１９からほぼ完全に排出される。さらに、真空炉
２０内が上記の加熱によりろう材１８の溶融温度以上の
高温雰囲気になると、緩衝材１４と嵌合孔１７の底面お
よび嵌合突部１３の先端面とが、溶融したろう材１８に
より真空中でそれぞれろう付けされる。

【００３０】（ｃ）はろう付けが終了した状態を示す。
上記のろう付け時に、溶融したろう材１８がボイドを潰
しながら第１および第２の部材１０，１１における上記
接合箇所内に充満していくので、この接合箇所の空気は
完全に排出される。すなわち、緩衝材１４と第１および
第２の部材１０，１１との各間は、ろう付け部１８ａを
介して密着される。また、両部材１０，１１の熱膨張差
によって、嵌合孔１７の小径孔部１７ａと嵌合突部１３
の小径軸部１３ａとの間に僅かな環状の空隙ができるの
で、ろう材１８は、逃げ溝１７ｃに入り込んだのちに、
上記空隙内を通ってすき間１９に入り込む。

【００３１】つぎに、上記のろう付け部１８ａで接合し
た第１および第２の部材１０，１１を、図２に示すよう
に、ＨＩＰ処理炉２１内に入れて、アルゴンのような不
活性ガス２２を封入してヒーティングコイル２３により
加熱した高温・高圧ガスの雰囲気にさらしてＨＩＰ処理
を行う。ＨＩＰ処理炉２１内は、上記図１（ａ）〜
（ｃ）の工程によりろう付けが終了していることから、
ろう材が再溶融しない雰囲気（例えば、８００〜９００
℃、１０００〜２０００気圧）に調整する。第１および
第２の部材１０，１１は、矢印で示すように高温、高圧
ガスにより周囲から均一な高圧力を受けるが、この両部
材１０，１１間は、緩衝材１４を介在したろう付け部１
８ａで完全に密着されていて、高温・高圧ガスが侵入し
ないため、両部材１０，１１が互いに近接する方向に徐
々に加圧されていく。その結果、ＨＩＰ処理の完了状態
を示す図３のように、緩衝材１４と第１および第２の部
材１０，１１との界面に、ろう材１８とこれに接触する
部材１０，１１，１４とが互いに拡散して一体化した拡
散接合層２４が形成されて、第１および第２の部材１
０，１１は緩衝材１４を介して相互に高い結合強度で接
合される。

【００３２】上記ＨＩＰ処理が終了したのちに、時間の
経過に伴ってＨＩＰ処理炉２１内が常温にもどるとき
に、高い熱膨張率を有する第１の部材１０は冷えて徐々
に収縮していき、この第１の部材１０の先端部分は、大
径孔部１７ｂの孔径を縮小させるように収縮して、その
内周面が嵌合突部１３の基軸部１３ｂにろう材１８を介
して接合し、この部分に、焼ばめ部２７が自然に形成さ
れる。ここで、焼ばめ部２７はろう材１８を介在して形
成されるため、第１の部材１０の収縮力は、ヤング率の
低いろう材１８の塑性変形による緩衝効果により吸収さ
れて、第２の部材１１に直接的に作用しない。それによ
り、脆いセラミック製の第２の部材１１を破損しないよ
う保護できる。なお、上記実施例では嵌合孔１７の小径
孔部１７ａと嵌合突部１３の小径軸部１３ａとの間にも
ろう材１８を介在した補助的な焼ばめ部が形成される。

【００３３】上記の金属とセラミックの接合方法では、
ＨＩＰ処理に先立って真空中でろう付けを行うことによ
って、図１（ｃ）の第１および第２の部材１０，１１を
緩衝材１４を介在したろう付け部１８ａによって完全に
密着するようにしたので、従来の接合方法における金属
とセラミックとの両部材を金属チューブ内に真空密封す
ることによって密接させる工程が不要となり、この工程
に起因する種々の不都合を解消できる。すなわち、金属
チューブに封入する困難で面倒な作業を解消でき、この
作業に伴う結合強度のばらつきがなくなり、さらに、脆
いセラミックで形成された第２の部材１１の一部が欠損
するといった不都合は生じない。

【００３４】図４は上記の接合方法によって接合したタ
ービンロータ３１と回転軸３０の結合構造を備えたガス
タービンを示す要部の縦断面図である。まず、タービン
ロータ３１と回転軸３０の接合構造について説明する。
上記接合方法での第１の部材１０に相当する回転軸３０
は、その金属製軸本体３２の先端部に金属製継手軸３３
をねじ結合により一体回転するよう連結して構成されて
いる。継手軸３３には、上記接合方法で設けたと同じ小
径孔部１７ａと大径孔部１７ｂからなる有底嵌合孔１７
が形成されている。一方、上記接合方法での第２の部材
１１に相当するタービンロータ３１は、円盤状のタービ
ンディスク３４と、このタービンディスク３４の周囲に
多数設けられたタービンブレード３７と、タービンディ
スク３４から突出したロータ軸部３８とが、セラミック
により一体成形されている。ロータ軸部３８は、上記接
合方法での嵌合突部１３と同等のものであって、軸基部
３８ｂの先端に小径軸部３８ａが形成されている。

【００３５】回転軸３０の継手軸３３とタービンロータ
３１とは上記の接合方法によって予め接合されている。
すなわち、継手軸３３に設けた嵌合孔１７にタービンロ
ータ３１のロータ軸部３８を挿入して、嵌合孔１７の底
面とロータ軸部３８の先端面との間に緩衝材１４を介挿
し、継手軸３３およびロータ軸部３８と緩衝材１４と
を、それらの接触面に介在させたろう材１８を真空中で
溶融することによりろう付けして接合する。つづいて、
ろう材１８が再溶融しない雰囲気でＨＩＰ処理を行って
緩衝材１４と継手軸３３およびロータ軸部３８との界面
に拡散接合層２４を形成させるとともに、嵌合孔１７の
大径孔部１７ｂとロータ軸部３８の軸基部３８ｂとの間
に焼ばめ部２７を形成させる。この接合過程には従来の
ような金属チューブ内に密封する工程が存在しないこと
から、円盤状のタービンディスク３４の周囲に多数形成
されたタービンブレード３７は、壊れやすい尖った部分
を有しているにもかかわらず、上記接合過程において欠
損されるおそれが全くない。

【００３６】こうしてタービンロータ３１に接合された
継手軸３３を、軸本体３２にねじ結合することにより、
回転軸３０に組み付ける。この回転軸３０の後部は以下
のように支持されている。すなわち、回転軸３０の継手
軸３３は、スリーブ３９に対し挿入され、かつスプライ
ン４０を介して噛み合うことにより、一体回転するよう
に結合されている。一方、回転軸３０の軸本体３２は、
圧縮機４１の羽根車４２に隙間を存して挿入されてお
り、羽根車４２と上記スリーブ３９とがフェース歯車４
３で噛み合って結合されている。回転軸３０を挿入させ
た羽根車４２およびスリーブ３９は、軸本体３２の前端
部（図の左側）に螺合されたナット（図示せず）の締め
付けによって、ロータ軸部３１の近傍に配したスペーサ
４４およびラビリンスリング５１を介して、継手軸３３
の外周面に突出したつば状係止部３３ａに押し付けられ
て固定されている。それにより、回転軸３０にタービン
ロータ３１と圧縮機４１の羽根車４２とが一体回転する
よう装着されている。

【００３７】上記タービンロータ３１から羽根車４２に
及ぶ回転系は、圧縮機４１側の軸受（図示せず）とター
ビンロータ３１側の軸受４７とによって回転自在に支持
されており、タービンロータ３１側の軸受４７は、スリ
ーブ３９の外周面に固定されたインナーレース４７ａと
ケーシングＣ側に固定されたアウターレース４７ｃとの
間でローラ４７ｂが転動して、上記回転系を回転自在に
支持する。この軸受４７には、潤滑油供給管４８からケ
ーシングＣ内の潤滑油通路４９を介して潤滑油ＯＬが供
給されており、供給された潤滑油ＯＬは、ラビリンスシ
ール５２で封止されていることによって軸受４８の周囲
に充満される。回転軸３０の嵌合孔１７とタービンロー
タ３１のロータ軸部３８との接合部は、潤滑油通路４９
に近接して配置されていることにより、スリーブ３９を
介して潤滑油ＯＬで冷却される。

【００３８】次に図４のガスタービンの作用について説
明する。圧縮機４１から供給される圧縮空気Ａを燃焼室
（図示せず）で燃焼させ、それにより発生する高温、高
圧の燃焼ガスＧは、セラミック製スクロール５３内のガ
ス通路を経てセラミック製ノズル５４からセラミック製
タービンブレード３７に導かれる。

【００３９】金属製回転軸３０とセラミック製タービン
ロータ３１はろう付け部１８ａと焼ばめ部２７との２種
の接合手段で接合されている。この金属とセラミックの
接合おいて、ろう付け部１８ａは、図５のＰの特性曲線
で示すように、温度上昇に伴って溶融点温度Ｔｎに至る
まで接合強度が直線的に徐々に低下する温度特性を有
し、焼ばめ部２７は、同図のＱの特性曲線で示すよう
に、低温領域においてろう付け部１８ａよりも大きな結
合強度を維持するとともに、７００〜８００℃程度にな
ると、金属とセラミックの熱膨張差によって結合が緩ん
で結合強度が急激に低下する温度特性を有している。し
たがって、上記回転軸３０とタービンロータ３１の結合
構造では、比較的低い温度領域でのろう付け部１８ａの
みでは不足する結合強度を焼ばめ部２７で補足するとと
もに、７００℃付近での焼ばめ部２７の結合強度の低下
をろう付け部１８ａで補足しており、さらに、ろう付け
部１８ａ付近は、強固な接合手段である拡散接合層２４
によって結合強度が強化されている。

【００４０】しかも、ろう付け部１８ａは、スリーブ３
９の潤滑油通路４９の近傍に位置しているので、潤滑油
ＯＬによる冷却で温度上昇を抑制されて結合強度の低下
が防止される。一方、焼ばめ部２７は、スリーブ３９に
おける潤滑油ＯＬとの接触箇所の近傍に形成されている
ことから、燃焼ガスＧによる温度上昇を抑制される。し
たがって、回転軸３０とタービンロータ３１の接合構造
は、ろう付け部１８ａと焼ばめ部２７との異なる接合手
段による相互の補間作用と、ろう付け部１８ａと焼ばめ
部２７の潤滑油ＯＬによる冷却と、拡散接合層２４の形
成とにより、ガスタービンの一般的な駆動温度である７
００℃付近でも常に安定した結合強度を維持する。

【００４１】さらに、ろう付け部１８ａと焼ばめ部２７
とは、嵌合孔１７とロータ軸部３８との嵌合部分の両端
であって互いに離間した箇所に形成されている。そのた
め、継手軸３３とロータ軸部３８の接合部は特に曲げ荷
重に対して高い強度を持っているので、タービンロータ
３１は回転軸３０の先端部に安定して保持される。ま
た、金属製継手軸３３とセラミック製ロータ軸部３８と
は、金属とセラミックの中間の熱膨張係数を有する緩衝
材１４を介在して、ろう材１８でろう付けされているた
め、温度上昇や急激な温度変化における継手軸３３の熱
膨張や収縮に伴う変形力を、緩衝材１４やろう材１８で
吸収または緩和させることができ、タービンロータ３１
のロータ軸部３８を割れなどが生じないよう保護でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る金属とセラミックの接
合方法におけるろう付け工程を示す縦断面図で、（ａ）
は金属製の第１の部材とセラミック製の第２の部材を互
いに接触させる前の状態、（ｂ）は両部材をろう付けす
る状態、（ｃ）はろう付け完了状態をそれぞれ示す。

【図２】ろう付け工程に続くＨＩＰ処理工程を示す縦断
面図である。

【図３】上記ＨＩＰ処理工程の終了による接合完了状態
を示す縦断面図である。

【図４】本発明の一実施例に係るタービンと回転軸の接
合構造を備えたガスタービンを示す要部の縦断面図であ
る。

【図５】金属とセラミックとにおけるろう付けおよび焼
ばめの温度と結合強度との関係を示す特性図である。

【図６】従来の金属とセラミックの接合方法の一工程を
示す縦断面図である。

【符号の説明】

１０…第１の部材、１１…第２の部材、１４…緩衝材、
１７…有底嵌合孔、１８…ろう材、１８ａ…ろう付け
部、１９…すき間、２４…拡散接合層、２７…焼ばめ
部、３０…回転軸、３１…タービン、３４…ディスク、
３７…ブレード、３８…ロータ軸部、４１…圧縮機、４
９…潤滑油通路、Ａ…圧縮空気，Ｇ…燃焼ガス、ＯＬ…
潤滑油。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製の第１の部材と、セラミック製の
   第２の部材と、これら部材の間に介挿されて前記金属と
   セラミックの中間の熱膨張係数を持つ緩衝材とを、それ
   らの接触面に介在させたろう材を真空中で溶融すること
   によりろう付けし、 つづいて、前記ろう材が再溶融しない雰囲気で熱間静水
   加圧処理を行って前記緩衝材と前記第１および第２の部
   材との界面に拡散接合層を形成する金属とセラミックの
   接合方法。
2. 【請求項２】 金属製の第１の部材に有底嵌合孔を形成
   し、 この嵌合孔に、セラミック製の第２の部材の嵌合突部を
   挿入し、 前記嵌合孔の底面と前記嵌合突部の先端面との間に、前
   記金属とセラミックの中間の熱膨張係数を持つ緩衝材を
   介挿し、 これら第１および第２の部材と前記緩衝材とをそれらの
   接触面に介在させたろう材を真空中で溶融することによ
   りろう付けし、 つづいて、前記ろう材が再溶融しない雰囲気で熱間静水
   加圧処理を行って前記緩衝材と前記第１および第２の部
   材との界面に拡散接合層を形成させる金属とセラミック
   の接合方法。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記嵌合孔に前記嵌
   合突部を挿入するにあたり、前記嵌合孔の内周面の少な
   くとも一部と前記嵌合突部の対応する部分との間にすき
   間を形成しておき、 前記拡散接合層形成後の冷却に伴う前記第１の部材の収
   縮によって、前記嵌合孔の前記少なくとも一部と前記嵌
   合突部との間に焼ばめを形成する金属とセラミックの接
   合方法。
4. 【請求項４】 請求項２の接合方法によって、第１の部
   材である金属製の回転軸の端部に、第２の部材であるセ
   ラミック製のタービンロータを接合した構造であって、 前記回転軸の端部に形成された有底嵌合孔に、前記ター
   ビンロータのロータ軸部が挿入されて接合されている回
   転軸とタービンの接合構造。
5. 【請求項５】 請求項３の接合方法によって、第１の部
   材である金属製の回転軸の端部に、第２の部材であるセ
   ラミック製のタービンロータを接合した構造であって、 前記回転軸の端部に形成された有底嵌合孔に、前記ター
   ビンロータのロータ軸部が挿入されてろう付けされ、 前記嵌合孔と前記ロータ軸部との間に焼きばめが形成さ
   れている回転軸とタービンロータの接合構造。
6. 【請求項６】 回転軸に装着された圧縮機とタービンを
   有し、圧縮機から供給された圧縮空気を燃焼室で燃焼さ
   せて、タービンに供給するガスタービンであって、 請求項４または５の回転軸とタービンロータの接合構造
   を備え、 前記回転軸を支持する軸受に潤滑油を供給する潤滑油通
   路を備え、 前記回転軸と前記タービンロータとの接合部が、前記潤
   滑油通路の近傍に配置されているガスタービン。